Study of the gaussian distribution heat source model applied to numerical thermal simulations of TIG welding processes

Abstract

Welding processes are considered a thermal-mechanical-metallurgical coupled issue. The most important boundary condition in the numerical thermal analysis is the heat source model. Although many studies have been carried out to propose different types of heat source models, the limitations of each model application have not been clearly specified. The Gaussian heat source is a model in which heat is generated over a surface; therefore, it may not be suitable to be applied to thick plates. In this study, the accuracy of the Gaussian heat source model is investigated in bead-on-plate welding by the TIG process. Analyses are performed by the ANSYS® software, considering the convection and the radiation phenomena. Several cases with different parameters of heat distribution, heat input and plate thickness have had their weld pool geometries analysed and compared with those obtained experimentally. Analyses of the influence of the radial distance from the center of the Gaussian heat source and the thickness of the plate on the bead width and the penetrated depth of the fusion zone boundary are presented. Results have shown the adequacy and the limitations of the Gaussian heat source model in the welding simulation.

Os processos de soldagem são considerados problemas termo-mecânico-metalúrgicos acoplados. A condição de contorno mais importante na análise térmica numérica é o modelo de fonte de calor. Embora muitos estudos tenham sido realizados com o objetivo de propor diferentes tipos de modelos de fontes de calor, a limitação da aplicação de cada modelo não é claramente conhecida. A fonte de calor Gaussiana é um modelo no qual o calor é gerado sobre uma superfície; por esta razão, ela não é adequada para aplicações em chapas espessas. Neste estudo, é investigada a acurácia do modelo de fonte de calor Gaussiana em uma soldagem do tipo cordão sobre chapa pelo uso do processo TIG. As análises foram realizadas por meio do programa computacional ANSYS®, considerando os fenômenos de convecção e de radiação. Para diversos casos com diferentes parâmetros de distribuição de calor, intensidades de fluxos de calor e espessuras de chapa, são analisadas as geometrias transversais do cordão de solda e estas são comparadas com aquelas obtidas experimentalmente. São apresentadas as análises das influências da distância radial do centro da fonte de calor Gaussiana e das espessuras das chapas na largura e na penetração do cordão de solda. Os resultados mostram a aplicabilidade e as limitações do modelo de fonte de calor Gaussiana na simulação da soldagem.